基于獾爪趾的仿生挖掘机斗齿的研究

作     者：裴高院 

作者单位：吉林大学 

学位级别：硕士

导师姓名：马云海

授予年度：2017年

学科分类：08[工学] 09[农学] 0802[工学-机械工程] 0901[农学-作物学] 0836[工学-生物工程] 090102[农学-作物遗传育种] 

主      题：仿生 獾 斗齿 阻力 等效应力 扭矩 

摘      要：挖掘机是用铲斗挖掘高于或低于承载面的物料,并装入运输车辆或卸至堆料场的土方机械。各种类型的挖掘机已广泛用在工业于民用建筑、交通运输、水利电力工程、农田改造、矿山采掘以及现代化军事工程等机械化施工中。据统计,工程施工中约有60%的土石方量,系由挖掘机来完成。斗齿是挖掘机的重要部件,它位于铲斗的尖端,其性能对挖掘机铲斗乃至挖掘机的挖掘性能有重要影响。在工作中,斗齿易产生磨损,造成切削能力下降和工作效率低下。提高挖掘机斗齿性能的方法包括改进斗齿构形。自然界生物经过不断的进化获得了优良的结构和特异的功能,通过研究这些这些结构和功能,发掘它们的作用机理,并将其运用到产品的制造和生产中,以期解决实际工程中遇到的问题。为解决挖掘机斗齿入土阻力大,易断裂的问题,本文利用Handyscan700扫描仪获取獾右前爪趾表面的三维点云,提取獾爪趾的侧面轮廓曲线,并进行拟合得到曲线方程,将获取的曲线方程运用到斗齿的设计中,利用三维软件建立斗齿模型。运用有限元分析软件对仿生斗齿和80型斗齿的力学性能和切土过程进行数值模拟,对比分析了力学性能的差异以及能量损耗与切土深度的关系。采用快速成型加工技术加工出了仿生斗齿与80型斗齿试样。利用电子万能试验机和搭建的挖掘试验台对斗齿试样进行了楔土和挖掘试验,分别测定了楔入阻力与楔入深度以及扭矩与挖掘深度的关系。结果表明:在施加相同载荷的情况下,仿生斗齿产生的最大等效应力、最大等效应变以及最大等效形变量均小于80型斗齿的,破坏的可能性小,比较安全;当斗齿的入土深度相同时,仿生斗齿消耗的能量较80型斗齿降低了22.7%;在同样条件下,仿生斗齿的楔入阻力较80型斗齿低11.9%-12.6%;在最大挖掘深度相同时,仿生斗齿的扭矩均明显小于80型斗齿,说明其受到的挖掘阻力最小。本文以獾爪趾为仿生原型设计的挖掘机斗齿不仅解决了工程中遇到的问题,还为减阻部件的开发提供了新思路,具有重要的参考价值。